防水透气阀在汽车发动机控制单元的应用

王雅荟，孙旭升，周宇辰

(中国航空工业集团公司 西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068)

0 引言

人们为了提高整机的电磁屏蔽性能，往往会在盖板与机箱结合处、在航插的法兰盘下安装导电密封条，在提高屏蔽性能的同时也提高了密封性能，而且人们常用的连接器密封性能也比较好(J599Ⅲ系列普通连接器可以防淋雨，J599Ⅲ系列气密连接器在插座两端压力差为100 kPa时，泄漏量不超过10-7cm3/s)，因此可以近似看作是密封设备。

由于设备内部电子元器件的自身发热等原因，密封设备内部气体的状态也会随之发生变化。温度的快速上升会引起壳体内空气膨胀，密闭壳体内空气如果无法排出，压力便会积聚在外壳上最薄弱的环节，如密封条、连接器等处。

防水透气膜是一种可以将液态物质和固态物质挡在外面[1]，而气态物质可以自由出入的功能性薄膜。其孔径大小介于液态水分子直径和气态水分子直径之间，并且是立体网状结构，因此能阻挡液态分子和微小颗粒状灰尘的进入，同时又能使气体自由进出。

1 浸水试验GJB 138-86介绍

发动机浸入水中30 min后，按下列程序进行试验：

(1) 按GJB 3743的第8.1.3条规定的方法进行起动试验。

(2) 最后一次起动成功后，以最大扭矩转速运行30 min。

(3) 停止运行5 min后，按照(1)条的规定再次进行起动试验。最后一次起动后，再运行20 mim。

(4) 停止运行，将发动机移出试验槽。检查发动机外观和拆检各密封面。

试验条件：ECU装在发动机侧壁，将发动机放入水池中，注水淹没发动机，直至发动机进气门顶盖在水面下1 m。

试验方法：测量水位后，浸泡30 min，然后发动机起动，将转速调节到1 500 rps维持30 min；熄火5 min再起动，将转速调节到1 500 rps维持20 min。

2 防水透气防护技术介绍

防水透气阀是将防水透气膜装配在阀体内部组成一个防水组件，主要由阀体、防水透气膜、O型密封圈组成，防水透气阀能够通过较好的透气来实现壳体内外压力的平衡，并能有效保护密封条的完整性。防水透气膜还能加快设备内部水气的散发，从而减少水气积聚。

防水透气阀主要功能是防水和透气，其关键性能指标是防水能力和透气量。防水能力主要和阀体生产工艺和透气膜的防水能力有关，可以达到IP65，IP66，IP67[2]甚至更高的防护等级。防护等级的选择和设备的应用环境有关，一般淋雨环境要求IP65即可，如有浸水的环境，则需考虑IP67或更高的防护等级，防护等级定义如表1所示。

表1 IPxx等级定义表

透气量是防水透气阀的关键指标，主要与设备壳体体积、温度变化速率相关。假设设备内部空气体积为10 L，外部使用环境最大温差为从80 ℃(353.15K)降低到20 ℃(293.15 K)(12 min内，即5 ℃/min，国军标的环境试验要求一般为5 ℃/min)，并且内部和外部初始空气压力均为1个大气压，即101 kPa，假设从80 ℃降低到20 ℃是一个匀速降温的过程，内外压差按1 min为时间单位进行积聚，且内部空气压力在每个时间单位开始时已恢复至一个大气压。

3 防水透气防护技术介绍

在完全密封的情况下，根据理想气体状态方程[3]：

P1V=nRT1

(1)

P2V=nRT2

(2)

式中：T1，T2为两个温度状态下气体的热力学温度；P1，P2为两个温度状态下的气体压强；V为气体体积；n为气体物质的量；R为普适气体常量。

则P2=P1×(T2/T1)=101 kPa×(293.15/353.15)=83.840 kPa，那么这个过程中最终的内外压差ΔP=101 kPa-83.840 kPa=17.160 kPa。则1 min的内外压差为1.4 kPa，近似为1～2 kPa。

在装有防水透气阀的情况下，将内部空气压力始终保持在一个大气压，所以：

PV1=nRT1

(3)

PV2=nRT2

(4)

则V2=V1×(T2/T1)=10 L×(293.15/353.15)=8.3 L，则需从外部补充的空气体积ΔV=10 L-8.3 L=1.7 L，除以12 min即为142 ml/min。

假定降温是一个匀速过程(5 ℃/min)，1 min的内外压差在1～2 kPa之间(80 ℃降到75 ℃和25 ℃降到20 ℃产生的压差均在1～2 kPa之间)，那么，要求透气阀的透气量为497～994 ml/min@7kPa(透气量与压差有线性关系，一般用7kPa时的透气量表示，142×7=994，142×3.5=497)。

实际使用时考虑到外界环境的复杂性，一般透气量选择为理论设计值的2倍以上为宜，在这里即为994～1988 ml/min@ 7 kPa，选型时应选2 000 ml/min@7 kPa左右的型号。

4 发动机电子控制器改进措施

按照军用发动机浸水试验要求，须将发动机上表面浸入水下1 m进行起动及怠速运转，目前ECU的安装位置在发动机侧壁，因此ECU应满足水下1.5 m加电工作的要求。此前，研究人员按照康明斯公司DVP&R试验要求对ECU进行过水下0.3 m的浸水试验，试验已经通过，水下1.5 m试验因条件限制暂没有进行。

目前，发动机控制器防水有3个薄弱环节：连接器；防水透气阀；机箱接缝。其中更换了连接器的密封圈、机箱接缝采用灌胶方式可达到防水1.5 m。防水透气阀改为可拆卸式，通过内螺纹拧入，避免出现橡胶透气阀在塞入过程中由于阀门内透气薄膜变形导致防水性能降低问题。同时阀门拆卸后预留内螺纹可以安装加压装置，便于对产品进行打压测试密封性能。采用螺纹式防水透气阀防水等级可以达到10 m。

5 结语

设计时根据设备所处环境和试验要求决定是否选用防水透气阀，根据设备体积和温度变化速率选择合适的透气量，实际选用的参数以理论计算值的两倍以上为宜。